基于DMP氧化和HWE反應的半乳糖修飾

劉兵，楊鈺，胡鈺，孟非凡，鄭勝彪，姜兵,2,＊

1 安徽科技學院化學與材料工程學院，安徽 鳳陽 233100

2 中國科學技術大學化學系，合肥 230026

糖類是自然界三大生物大分子(糖類、油脂和蛋白質)之一，不僅能作為生物體的功能物質和結構組成，還在生物學領域起著至關重要的作用[1]。糖類結構的構建無疑是糖科學研究必須要解決的基礎問題之一。糖類具有不同構型、多種官能團、多個中心手性和復雜的分支，普遍存在端位差向異構化現象，因此糖類化合物具有復雜的結構。自然界中即使本質上相同的糖類分子之間在結構上也存在微小差異，因此人類想分離純化天然糖類化合物是非常不容易的。糖分子并非基因直接控制得到的，試圖通過聚合酶鏈式反應或者生物工程的方法得到糖分子是很難實現的[2,3]，因此糖分子的合成將是解決其來源的重要方式之一。目前糖分子的構建主要包括羥基的保護[4]、糖基化[5]和官能團的修飾[6]。雖然糖化學合成的相關研究已經發展一百多年，但是糖分子的人工構建仍然是化學合成領域的短板之一。

將醇氧化為醛或酮有很多種方法，早期常用鉻酸、重鉻酸鹽、吡啶氯鉻酸鹽等鉻(IV)試劑，基本已經被更溫和的無毒試劑替代(圖1)。利用二甲亞砜(DMSO)和草酰氯的Swern氧化是一種成熟的方法，而苛刻的超低溫環境極大限制了它的應用[7]。高價碘試劑是一種條件溫和、選擇性好、產率高且毒性低的綠色氧化劑，無疑是一種具有吸引力的方法[8]。

圖1 醇氧化為醛酮的方法

Dess-Martin氧化是現代有機合成中常用的氧化反應之一，在有機合成化學中具有非常重要的地位。1983年，Martin和他的學生Dess合成了1,1,1-三乙酰氧基-1,1-二氫-1,2-苯碘酰-3-酮(DMP)[9]。該化合物不僅制備方法簡單，而且可以在溫和的條件下選擇性地將醇氧化為醛或者酮，底物分子中的醚鍵等許多官能團都具有較好的兼容性。Dess和Martin通過分離鑒定反應中間體提出了反應的機理(圖2)[10]：首先醇作為親核試劑通過SN2反應取代了DMP中一個乙酸根離子，得到單烷氧基二乙酰氧基高價(V)碘中間體，該中間體歧化，離去一分子乙酸，得到醛酮和低反應性的三價碘物種。

圖2 DMP氧化的機理

1958年，Leopold Horner等利用烷基二苯基氧膦的負離子和醛酮反應成功制備了烯烴[11]。這一對Wittig反應的改進被稱為Horner-Wittig反應(或Horner反應)。直到20世紀60年代早期，Wadsworth和Emmons成功利用磷酸酯合成了烯烴，這一改進才被廣泛應用于有機合成(圖3)[12]。相比Wittig反應，HWE反應具有原料廉價易得、反應活性更高、應用范圍更廣和后處理簡潔等優勢。

圖3 HWE反應的機理

根據專業人才培養方案和教學目標，本實驗設計了基于DMP氧化和HWE反應修飾雙丙酮半乳糖：

(1)對目標化合物進行逆合成分析(圖4)。通過對醇的氧化和醛酮的烯基化方法進行文獻調研，小組討論不同方法的優缺點并設計合理可行的實踐方案。培養學生綜合解決復雜問題和設計實驗的能力。

圖4 逆合成分析

(2)利用Oxone氧化鄰碘苯甲酸得到IBX，然后在乙酸和乙酸酐作用下將IBX轉化為DMP。一方面可以鞏固規范性加反應和減壓抽濾的基本操作，另一方面可以掌握無水無氧操作技術(Schlenk技術)。Schlenk技術是化學領域中最重要的實驗技術之一，主要是利用雙排管將空氣和水蒸氣置換為惰性氣體。和手套箱相比，該技術對設備、操作和維護的要求更低。將Schlenk技術引入高年級本科生實踐教學，在豐富教學內容的同時，還能拓展學生的眼界，有利于推進研究型教學模式。

(3)通過DMP氧化將雙丙酮半乳糖氧化為醛。培養學生運用TLC技術和鉬酸銨鈰(CAM)、2,4-二硝基苯肼(DNP)和堿性高錳酸鉀等顯色方法監測化學反應進程。

(4)運用HWE反應實現可差向異構醛的烯基化反應。

該實踐方案主要培養學生掌握Schlenk技術、薄層色譜分析技術、柱層析技術。掌握核磁共振和紅外光譜測試技術表征化合物結構的方法，掌握核磁共振波譜和紅外光譜圖的解析方法。本實踐方案采取兩人一組的雙教師助教協助的小班教學模式，教學內容豐富，適合作為一個20學時實踐周的教學實驗，能夠將反映新知識、新理論、新技術和新方法的科研成果設計為適合高年級本科生的綜合實踐教學內容，有利于促進科教融合的研究型教學模式。管制藥品的儲存和取用以及規范的固液廢棄物的后處理過程可以加強學生對安全意識和環保意識等的教育。

1 實驗部分

1.1 實驗原理

1.1.1 DMP的制備

早在19世紀末就發現了IBX，在有機溶劑中溶解性差限制了它的廣泛應用[13]。1983年，Dess和Martin將IBX轉化為溶解性較好的DMP，該方法用了有致癌性的溴酸鉀，且反應后的殘留物污染環境[14]。Santagostino等報道了用Oxone替代溴酸鉀的方法，Oxone是一種高效清潔且易保存的氧化劑[15]。DMP試劑的具體合成流程如圖5所示：首先利用Oxone氧化鄰碘苯甲酸得到IBX。然后在乙酸和乙酸酐的作用下乙酰化，將IBX轉化為DMP。

圖5 DMP的制備方法

1.1.2 雙丙酮半乳糖的修飾

實踐方案如圖6所示，雙丙酮半乳糖可以直接從化學試劑商購買，也可以在濃硫酸催化和氯化鋅的作用下，通過半乳糖和丙酮脫水縮合制備(本實踐方案不包含雙丙酮半乳糖的制備)[16]。接下來用碳酸氫鈉作堿，在DMP作用下將一級醇氧化為醛[17]。最后用一水合氫氧化鋰作堿，通過HWE反應實現可差向異構醛的烯基化反應[18]。

圖6 雙丙酮半乳糖的修飾

1.2 試劑和耗材

1.2.1 試劑

雙丙酮半乳糖，鄰碘苯甲酸，Oxone，丙酮，冰醋酸，乙酸酐，乙醚，碳酸氫鈉，二氯甲烷(DCM)，石油醚(PE)，乙酸乙酯(EA)，硫代硫酸鈉，碳酸鈉，氯化鈉，硫酸鎂，膦酰基乙酸三乙酯，一水合氫氧化鋰，四氫呋喃(THF)，硫酸鈉，乙醇，鉬酸銨，硫酸鈰，濃硫酸，DNP，高錳酸鉀，碳酸鉀，氫氧化鈉，以上試劑均為分析純。

1.2.2 顯色劑

CAM：分別用去離子水(45 mL)將鉬酸銨(5 g)和硫酸鈰(2 g)完全溶解并混合均勻，緩慢滴入濃硫酸(10 mL)。

DNP：將濃硫酸(30 mL)緩慢滴入去離子水(40 mL)中并恢復至室溫，將其緩慢加入2,4-二硝基苯肼(6 g)的乙醇(100 mL)溶液中。

堿性高錳酸鉀：分別用去離子水(100 mL)將高錳酸鉀(1.5 g)和碳酸鉀(10 g)完全溶解并混合均勻，再加入氫氧化鈉(0.125 g)。

1.2.3 耗材

石英砂，硅膠粉(200–300目)，TLC板(GF254)，硅藻土，氣球，鉛筆，毛細管，離心管，注射器，脫脂棉，橡膠塞，膠頭滴管，丁腈手套，活性炭口罩，稱量紙。

1.3 儀器和表征方法

布氏漏斗，抽濾瓶，玻璃棒，燒杯，抽濾漏斗，試管，圓底燒瓶，三口燒瓶，錐形瓶，稱量瓶，量筒，廣口瓶，層析柱，雙排管，油泡器，雞心瓶，茄形瓶，抽濾漏斗，分液漏斗，防濺球，加熱槍，三通閥，護目鏡，其他儀器見表1。

表1 實驗儀器

1.4 實驗步驟

1.4.1 IBX的制備

實驗步驟：稱取Oxone(36.15 g，58.8 mmol)置于250 mL單口燒瓶中，加入攪拌子和130 mL去離子水并置于磁力攪拌器上，在攪拌下加入鄰碘苯甲酸(9.92 g，40 mmol)，塞上橡膠塞并扎上氣球，用油浴將懸浮液加熱至70 °C并在該溫度下保持3 h(如圖7，注意：溫度不能高于70 °C)。

圖7 IBX的制備

后處理：將反應液冷卻至室溫，然后置于冰水浴中冷卻30分鐘，接下來將白色懸浮液減壓抽濾，再用冷水(25 mL×6)和冷丙酮(20 mL×2)洗滌得到白色固體，將濾紙上的固體轉移至100 mL茄形瓶(注意：空瓶需要稱重)中，用三通閥將其在減壓下抽干并碾碎得到白色固體粉末IBX，最后稱重計算產率(9.63 g，產率86%)。

1.4.2 DMP的制備

實驗步驟：稱取IBX(8.40 g，30 mmol)置于100 mL三口燒瓶中，加入攪拌子，將左側口用橡膠塞塞上，中間口加一個冷凝管，在冷凝管上塞上橡膠塞，右側口連上三通閥，利用雙排管將反應裝置中的空氣置換為氮氣(抽換氣三次)，然后在冷凝管上端橡膠塞上扎上氮氣球。接下來用注射器向反應裝置中依次加入乙酸(23.42 g，22.3 mL，390 mmol)和乙酸酐(27.87 g，25.6 mL，273 mmol)。將反應裝置加熱至85 °C并在該溫度下劇烈攪拌30 min(如圖8)。此時，會觀察到白色懸濁液逐漸變為黃色溶液。

圖8 制備DM P

后處理：將反應裝置冷卻至室溫，然后置于冰水浴中冷卻析出白色固體，接下來將白色懸浮液減壓抽濾，再用乙醚(25 mL×3)洗滌，將濾紙上的固體轉移至100 mL茄形瓶(注意：空瓶需要稱重)中，用三通閥將其在減壓下抽干并碾碎得到白色固體粉末DMP(注意：DMP對水分非常敏感，暴露在過多的水分環境中是造成實驗失敗的主要原因。)，最后稱重計算產率。

1.4.3 DMP氧化

實驗步驟：稱取雙丙酮-D-半乳糖(2.60 g，10 mmol)置于250 mL單口燒瓶中(注意：不必用火焰干燥燒瓶或特別小心排除反應中水分，少量的水對反應有促進作用)，加入攪拌子和40 mL DCM，在室溫和攪拌下依次加入碳酸氫鈉(3.36 g，40 mmol)和DMP(8.48 g，20 mmol)。通過TLC(展開劑體積比為PE/EA=7:3，CAM顯色)監測反應進程，如果TLC顯示反應不完全可適當補加少量DMP(圖9)。

圖9 DMP氧化

后處理：當TLC顯示雙丙酮半乳糖已經反應完全，用25 mL DCM稀釋，隨后緩慢加入體積比為1:1:1的飽和硫代硫酸鈉水溶液(30 mL)、飽和碳酸氫鈉水溶液(30 mL)和水(30 mL)的混合液。得到的混合物在室溫下劇烈攪拌30 min得到澄清的兩相，分液得到有機相，水相用DCM萃取(20 mL×3)，合并有機相并依次用水(20 mL)和飽和食鹽水(20 mL)洗滌，用無水硫酸鎂干燥，減壓抽濾并旋干溶劑。得到的黃色油狀粗產品不需要進一步純化直接投入下一步反應。

1.4.4 HWE反應

實驗步驟：將粗產品用20 mL THF溶解并轉移至100 mL單口燒瓶，加入攪拌子和磷酰基乙酸三乙酯(2.24 g，2.0 mL，10 mmol)，然后在攪拌下加入一水合氫氧化鋰(0.42 g，10 mmol)，在室溫下反應過夜(圖10)。通過TLC(展開劑體積比為PE/EA=4:1，DNP和堿性高錳酸鉀顯色)監測反應進程。

圖10 HWE反應

后處理：當TLC顯示醛已經反應完全(約10 h)，取出攪拌子并旋干溶劑，粗產品用二氯甲烷萃取(15 mL×3)并使用飽和食鹽水(20 mL)洗滌有機相。有機相依次用無水硫酸鎂干燥，減壓抽濾，旋干溶劑并通過柱層析(展開劑體積比為PE/EA=4:1)分離得到白色固體目標產物(2.29 g，兩步反應總產率70%)。

2 結果與討論

2.1 TLC和柱層析分析

TLC是一種操作簡便、監測速度快、分離效果好和檢測靈敏度高的微量分析技術，常用于有機反應的監測。DMP氧化(圖11A和11B)：反應液以VPE:VEA=7:3為展開劑作TLC分析，S為雙丙酮半乳糖，P為DMP氧化反應液，M為二者的混合點。HWE反應(圖11C和11D)：反應液以VPE:VEA=8:2為展開劑作TLC分析，S為DMP氧化粗產品，P為HWE反應液，M為二者的混合點。TLC表明，DMP氧化和HWE反應均進行得比較完全。

圖11 TLC分析

HWE反應后的反應液經過后處理得到粗產品，使用濕法裝柱，濕法上樣(少量DCM溶解)，先用VPE:VEA=85:15為洗脫劑進行柱層析分離出第一個雜質點，再用VPE:VEA=80:20為洗脫劑分離出目標產物。

2.2 紅外光譜分析

化合物3純化后的紅外光譜如圖12，2985.85、2936.25和2905.90 cm-1處的吸收峰為C―H鍵的對稱和不對稱伸縮振動，1716.33 cm-1處的強吸收峰為羰基的伸縮振動，1665.18 cm-1處的吸收峰為碳碳雙鍵的伸縮振動，1064.46 cm-1處的吸收峰為―C―O―C―上的C―O鍵伸縮振動。

圖12 粗產品和化合物3的紅外光譜

2.3 核磁共振波譜分析

2.3.1 DMP的核磁共振氫譜

DMP的核磁共振氫譜見圖13。

圖13 DMP的氫譜

1H NMR(400 MHz,CDCl3)δ8.29(t,J=7.8 Hz,2H),8.08(t,J=7.8 Hz,1H),7.90(t,J=7.4 Hz,1H),2.33(s,3H),2.00(s,6H)。

2.3.2 DMP氧化粗產物的核磁共振氫譜和碳譜

未純化化合物2粗產品的核磁共振氫譜和碳譜見圖14和圖15。

圖14 未純化化合物2粗產品的氫譜

圖15 未純化化合物2粗產品的碳譜

1H NMR(400 MHz,CDCl3)δ9.64(s,1H),5.69(d,J=5.0 Hz,1H),4.69 – 4.60(m,2H),4.41(dd,J=5.0,2.4 Hz,1H),4.21(d,J=2.1 Hz,1H),1.53(s,3H),1.46(s,3H),1.37(s,3H),1.34(s,3H)。

13C NMR(101 MHz,CDCl3)δ200.26,110.03,109.04,96.25,73.21,71.73,70.49,70.39,26.01,25.80,24.81,24.24。

粗產品核磁表明不需要進一步純化可以直接投入下一步反應。

2.3.3 HWE反應產物的核磁共振氫譜、二維氫氫相關譜和碳譜

化合物3純化后的核磁共振氫譜、二維氫氫相關譜(H-H COSY)和碳譜見圖16、17和18。

圖16 化合物3的氫譜

圖17 化合物3的H-H COSY譜

圖18 化合物3的碳譜

1H NMR(400 MHz,CDCl3)δ6.91(dd,J=15.7,4.5 Hz,1H),6.13(dd,J=15.7,1.9 Hz,1H),5.58(d,J=5.0 Hz,1H),4.64(dd,J=7.7,2.5 Hz,1H),4.45(dt,J=4.3,2.1 Hz,1H),4.34(dd,J=5.0,2.5 Hz,1H),4.28(dd,J=7.7,2.1 Hz,1H),4.18(q,J=7.2 Hz,2H),1.50(s,3H),1.42(s,3H),1.33(s,3H),1.32(s,3H),1.27(t,J=7.2 Hz,3H)。

13C NMR(101 MHz,CDCl3)δ166.14,142.70,122.57,109.69,108.70,96.39,72.64,70.86,70.49,67.44,60.36,26.06,25.90,24.84,24.43,14.23。

2.4 高分辨率質譜分析

化合物3的ESI電離源高分辨率質譜見圖19。分子加氫和加銨峰理論值分別為329.1600和346.1866，實際測量值分別為329.1606和346.1868，測量值均在誤差允許范圍內。

圖19 化合物3的ESI-MS圖

2.5 教學實踐

本實踐項目已經實際應用于開展本科實驗教學，并且運行了三輪。采取的是線上線下混合式教學模式，上課前學生需要完成以下內容：① 通過查閱文獻和工具書等總結歸納醇氧化的方法及其優缺點；② 總結歸納構建烯烴的方法及其優缺點；③ 總結歸納保護醇的方法及其優缺點；④ 學完學習通單元操作視頻；⑤ 根據查詢的資料和視頻學習寫好預習報告。實踐環節直接操作，采取小班分組教學，每班20人左右，每兩人一組，兩個老師指導評分，勤工助學學生協助。實踐結束后學生根據實驗過程中記錄的數據和現象，結合結構表征數據的分析完善實踐報告。實踐方案經過三輪的驗證，絕大部分學生實驗的結果和本論文基本一致。通過實踐教學改革，學生學習了新知識和新理論，基本掌握了有機合成的新技術和新方法，普遍反映所學內容在畢業論文設計、研究生復試、藥企工作和深造學習有較大幫助。

3 結語

本文推薦了一個20學時的糖化學反應實驗，實踐內容包括DMP試劑的制備、雙丙酮-D-半乳糖的氧化和HWE反應三個部分，訓練內容不僅涵蓋回流、減壓抽濾、干燥、萃取等基礎實驗操作，還將旋轉蒸發儀、TLC技術、Schlenk技術、柱層析技術、紅外光譜技術、核磁共振波譜技術和質譜技術等融合到了一個綜合性實驗中。將能夠反映新知識、新理論、新技術和新方法的科研過程引入高年級本科生的實踐教學環節，有助于激發學生的科研興趣和鍛煉學生的綜合實驗能力。

實踐周學時說明：第一步IBX的制備，反應需要4學時(需完成層析柱的裝柱過程)，后處理需要2學時；第二步DMP的制備，反應需要2學時，分離需要2學時；第三步DMP氧化，反應需要2學時，后處理需要2學時；第四步HWE反應，反應需要2學時，后處理需要2學時，柱層析需要2學時。實驗過程中冗余的時間可以靈活安排儀器的清洗過程(涉及堿缸和酸缸的使用)和烘干過程。